첨단융합학부 박성준 교수팀, 차세대 오가노이드 분석 플랫폼 분석 등 새글 첨부파일 있음

- 오가노이드의 분자·전기·기계·광학적 특성 측정 및 AI 기반 통합 분석 방법 제시
- Measurement and AI-Based Analytical Methods for the Molecular, Electrical, Mechanical, and Optical Properties of Organoids

[연구 필요성]

오가노이드 분야는 최근 빠른 속도로 발전하며 생체 모사 연구와 질환 모델링, 신약 개발의 핵심 플랫폼으로 자리 잡고 있다. 오가노이드 분석 기술 역시 다양하고 복합적인 방향으로 진화하고 있으나, 기술 간 편차, 표준화 부족, 데이터 해석 방식의 차이 등으로 인해 연구 결과 비교와 재현성 확보에는 어려움이 존재한다.

특히 오가노이드의 구조·기능·분화도·유전체 안정성·미세환경 변화 등을 정확하게 파악하기 위해 다양한 분석 기술이 개발되고 있지만, 각 기술의 장단점, 적용 범위, 해석 지침이 체계적으로 정리된 자료는 부족한 상황이다. 연구자들은 방대한 기술과 플랫폼 중 어떤 분석 접근이 적합한지 선택하는 데 어려움을 겪고 있으며, 데이터 통합 및 다중분석 결과의 비교·활용을 위한 공통 프레임워크도 명료하지 않다.

본 연구는 기존의 오가노이드 분석 기술을 종합적으로 조망하고, 분자·전기·광학·기계적 분석 등 다양한 방법론의 특징과 적용 사례를 체계적으로 분류하며, AI 기반 분석 기술의 향후 발전 방향과 표준화의 필요성을 제시함으로써 연구자들이 보다 정확하고 효율적인 분석 전략을 수립할 수 있도록 의도하였다.

[연구성과/기대효과]

이번 오가노이드 분석 기술 연구는 복잡한 생체 모델을 이해하기 위한 첨단 분석 플랫폼의 현재와 미래를 제시함으로써, 바이오 연구의 정밀도와 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 기반을 마련하였다. 이를 통해 연구자는 오가노이드의 생리적 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있으며, 임상 및 산업적 응용에서도 데이터 신뢰성 확보와 기술 표준화를 촉진할 것으로 기대된다.

특히 신약 개발 및 개인 맞춤 의학 분야에서 오가노이드 기반 모델의 활용도가 크게 증가함에 따라, 고도화된 분석 기술은 후보 물질의 반응성 평가, 독성 분석, 환자 맞춤형 치료 전략 수립 등 다양한 분야에서 핵심 도구로 활용될 전망이다. 또한 오가노이드의 장기적 안정성, 기능적 성숙도, 조직 유사성 등을 정밀하게 측정할 수 있는 분석 체계는 차세대 생체 플랫폼의 상용화 및 의료 기술 혁신에 기여할 것으로 기대된다.

[본문]

서울대학교 첨단융합학부 및 의과대학 소속 박성준 교수 및 연세대학교 조승우, 진윤희 교수 연구진은 오가노이드의 복잡한 생리·기능적 특성을 다각도로 파악하기 위한 고도화된 분석 기술을 체계적으로 정리하고, 오가노이드 기반 연구의 미래 방향을 제시하는 연구 성과를 발표하였다. 이번 연구는 오가노이드가 실제 인간 장기 환경을 얼마나 정밀하게 재현하는지, 그리고 이를 임상적·산업적 응용으로 확장하기 위해 어떤 분석 플랫폼이 필요한지 종합적으로 탐색한 점에서 큰 의의를 가진다.

오가노이드는 고유의 3차원 구조와 자가조직화 능력을 바탕으로, 발달 과정·질환 메커니즘·약물 반응 등을 재현할 수 있는 차세대 생체 모델로 각광받고 있다. 실제로 산업적 수요가 빠르게 증가하면서 오가노이드 관련 바이오뱅크, 자동화 배양 플랫폼, 신약 스크리닝 서비스 등 상용화 움직임도 활발하다. 그러나 오가노이드의 세포 구성, 조직 밀도, 성장 방식이 매우 다양하다는 점은 분석 플랫폼 개발에 큰 도전 과제로 남아 있다.

연구진은 이러한 한계를 해결하기 위해 오믹스 기반 분자 분석, 단일세포·다중오믹스 기술, 전기생리학적 측정, 기계적 특성 분석, 고해상도 광학 이미징, 그리고 AI 기반 계산 분석 등 다양한 첨단 분석 도구를 통합적으로 조망했다. 특히 유전체 안정성 평가를 위한 WGS·WES, 세포 다양성과 위치 정보를 결합한 공간 오믹스, 장기적인 신호 기록을 위한 비파괴적 전기·광학 센싱 기술 등은 오가노이드의 복잡성을 이해하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 강조했다.

또한, 분석 기술의 발전과 함께 표준화 및 데이터 통합의 필요성도 지적되었다. 오가노이드 배양 방식, 배지 조성, 환경 변화에 따라 발생할 수 있는 배치 간 이질성을 줄이기 위해서는 세부 공정의 표준화와 품질 관리 전략이 중요하다. 더불어, 고해상도 이미징·전기신호·오믹스 데이터를 동시에 처리하기 위해서는 대규모 데이터 관리 체계와 접근성 높은 컴퓨팅 인프라가 필수적이라는 점도 언급되었다.

한편 연구진은 비파괴 분석 기술의 중요성 또한 강조했다. 고정이나 절단 등 기존의 파괴적 분석 방식은 장기 추적 연구에 한계를 초래할 수 있으며, 오가노이드의 복잡한 생장·분화 과정을 온전히 반영하지 못한다. 반면, 실시간 관찰이 가능한 비파괴적 접근-예를 들어 라이브 이미징, 유연 전자소자 기반 센싱, 라벨-프리 분석-은 장기적 안정성과 생체 적합성을 유지하며 정밀한 데이터를 얻을 수 있는 가능성을 제시한다.

이번 연구는 오가노이드 분석의 방향성이 단일 기술의 고도화가 아닌, 다중 모달리티의 통합에 있다는 점을 강조했다. 예를 들어, 기계적 특성 분석과 분자 분석을 연계하거나, 전기생리학적 신호와 공간 전사체 데이터를 결합하는 방식은 기존의 단편적 접근을 넘어 오가노이드의 전체적 기능 지도를 구축할 수 있는 토대를 마련한다.

박성준 교수는 "오가노이드 분석 분야의 앞으로의 발전 방향으로는 1.유전체 안정성에 대한 장기적 모니터링 체계 구축, 2.고효율 공간 오믹스 기술의 상용화, 3.비파괴적·고해상도 이미징 기술의 고도화, 4.AI 기반 예측 모델의 투명성과 신뢰성 확보 등을 들 수 있다" 고 말하며, "특히 AI의 활용은 오가노이드 연구에서 점점 중요해지고 있지만, 정확하고 임상적 근거에 기반한 예측을 위해서는 고품질 데이터 구축과 알고리즘의 생물학적 해석 가능성이 필수적"이라고 강조했다.

연구 성과는 세계적 권위의 국제 학술지 'Nature Reviews Bioengineering'에 게재됐다(논문명: Organoid analytical toolkits). 이번 연구는 보스턴코리아사업의 지원을 받아 수행되었다.

[연구결과]

Organoid analytic toolkits

Yoonhee Jin*, Seongjun Park*, Seung-Woo Cho*
(Nature Reviews Bioengineering, 10.1038/s44222-025-00384-5 (2025), https://www.nature.com/articles/s44222-025-00384-5)

오가노이드 연구의 확산과 함께 분석 기술의 복잡성도 증가하고 있는 가운데, 본 논문은 오가노이드의 구조·기능·분자적 특성을 정밀하게 파악하기 위한 최신 분석 기술을 통합적으로 정리하였다. 연구진은 오믹스 기반 분자 분석, 단일세포·공간 전사체 분석, 전기생리학적 측정, 고해상도 광학 이미징, 기계적 특성 분석, AI 기반 계산 분석 등 다양한 접근을 비교하며 각 기술의 장단점과 적용 범위를 조명하였고, 또한 오가노이드 배양 방식에 따른 이질성과 비파괴적 장기 분석의 중요성을 강조하며, 데이터 통합 및 표준화의 필요성을 제기하였다. 이러한 종합적 관점은 연구자가 목적에 맞춰 최적의 분석 전략을 수립하고, 고품질 데이터 기반의 정밀 생체 모사 연구를 수행하는 데 중요한 가이드라인을 제공할 것으로 예상된다.

[그림설명]

▲ 차세대 오가노이드 분자·전기·기계·광학적 특성 분석 플랫폼